空氣孔底局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具研究

空氣孔底局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具研究無論是我們國家還是地球上其他地區(qū)都蘊藏著豐富的冰川資源，冰川中所隱藏的信息，不僅對地球化學、微生物學、氣候學以及環(huán)境學，還對人類社會發(fā)展和對自然界的認識具有重要的科學意義和社會價值。冰心數(shù)據(jù)已成為我們了解冰川的核心數(shù)據(jù)。在過去的50多年里，科學家和工程師們鉆取了許多的冰孔，采獲了大量的冰心。但是在積雪和雪冰層鉆進時，現(xiàn)有鉆具存在著一定的局限性。冰川上層近64m——115m（與當?shù)氐姆e雪累積率和溫度有關）的積雪和雪冰層中含有空隙，容易導致沖洗液漏失，一旦沖洗液漏失，沖洗液的消耗量不僅增加，而且還會污染南極自然環(huán)境。再加上南極地處偏遠、環(huán)境惡劣、供給困難，所以要求鉆具盡可能的輕便、低能耗、結構簡單、方便操作和維護。本文研究了一種快速、輕便、高效、低能耗、易操作且能獲取冰心的環(huán)境友好型鉆具——空氣孔底局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具。該鉆具設計鉆深可以達到500m,它的成功研制與應用，可以為后期的深部冰層鉆探以及冰下基巖鉆探打下基礎，為更深入的研究極地提供可能。而且該技術不但可以在南極和格陵蘭島冰層鉆進工作中使用，還可用于高山冰川勘探取樣工程、陸地凍土帶和海底天然氣水合物取樣鉆探中。為研發(fā)該套鉆具，本文分析了極地冰川鉆探的特點，研究現(xiàn)有的國內外冰川鉆探情況，尤其是淺層冰川取心鉆具的研究現(xiàn)狀，特別介紹了冰川鉆探中的空氣鉆。然后從理論上研究氣體反循環(huán)部分，計算氣體反循環(huán)所需最小氣體流速、最小氣體流量和極限真空度；建立氣體反循環(huán)試驗臺，獲得形成氣體反循環(huán)并攜帶顆粒所需的參數(shù)；再利用流體力學軟件Fluent對參數(shù)進行驗證；進而設計出鎧裝電纜式氣體局部反循環(huán)電動機械冰層取心鉆具，并對鉆具進行仿真模擬試驗。不僅確定鉆進工藝及一些最優(yōu)鉆進參數(shù)，最重要的是證明鉆具的可行性。論文研究得到的主要成果如下：(1)提出氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的概念設計，然后計算氣體局部反循環(huán)所需的最小氣體流速、最小流量和極限真空度。由于現(xiàn)有的淺冰層取心鉆探中使用的鉆具都或多或少的存在些許問題，所以本文提出了氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的概念設計。本鉆具能否成功，關鍵在氣體能不能形成局部反循環(huán)，反循環(huán)的氣體能否攜帶、運移鉆進過程中形成的冰屑顆粒至冰屑室中。本文從不同的角度考慮，采用5種方法：工程實踐法、最小動能和最小速度標準、力學分析法、流體力學求解法和顆粒啟動機理法，對鉆具中的氣體循環(huán)部分進行理論分析，計算所需氣體最小流速、氣體最小流量和真空度。從安全鉆探角度考慮，最終選擇氣體的最小流速為8.32m/s；最小流量為1.26m3/min；極限真空度為3.82kPa。(2)采用流體動力學方法，利用Fluent模擬氣體流速和極限真空度之間關系。理論分析方法雖然具有普遍性，但是它計算對象往往簡單抽象化。為了彌補了理論分析方法的缺陷，本文使用了CFD方法。利用Fluent模擬分析，證明了理論計算的準確性，為下一步的試驗測試提供理論依據(jù)。通過Fluent軟件實際鉆探模擬可知，氣體極限真空度越大，產(chǎn)生的抽吸力越大，循環(huán)過程中的氣體流速越大，越能迅速及時地排屑、洗孔，所以氣體的極限真空度至少要大于3kPa。從Fluent模擬分析的結果，得知氣體的壓力損失主要集中在流道截面積突變的地方。所以，在流道截面積突變的地方，采用平滑過渡的方式，減小氣體循環(huán)過程中的壓力損失。(3)設計氣體局部反循環(huán)試驗臺，測試驗證氣體循環(huán)過程的可行性。試驗結果證明了：氣體可以形成局部反循環(huán)，抽吸冰屑、清理孔底、冷卻鉆頭，氣體的流量滿足最小流量要求。氣體能夠在三四米長、直徑為110mm的模擬管中形成氣流，攜帶與冰屑顆粒物理性質相似的、直徑為2mm左右的小米。同時還證明了當鉆頭的水口高度大于60mm時，形成的氣流不能快速地攜帶冰屑；當鉆頭水口高度在60mm以內，氣流可以迅速排渣清孔。(4)設計鉆具。設計的鉆具包括5大部件：電纜終端、滑環(huán)部件、反扭系統(tǒng)、驅動部件和取心部件，其中重點是驅動部件的設計。選擇出尺寸合適、耐低溫大功率電機，確定兩種變速器及其變速比，選擇高強度且能產(chǎn)生較大極限真空度、大小適當?shù)膭尤~輪和密封問題的處理。另外還設計了提升和下放鉆具的必要工具，傳輸動力源、信號的采集回收必不可少的鎧裝電纜。(5)設計鉆具測試試驗臺，測量實驗過程中的一些參數(shù)。設計一套氣體局部反循環(huán)電動機械取心鉆具的測試試驗臺，在每年的冬天對鉆具進行仿真模擬試驗。試驗的成功說明了該套鉆具能正常鉆探取心。試驗證明了該套鉆具可以使用的兩種動葉輪，以及每種動葉輪能滿足鉆探需求的轉速范圍。試驗還推導出動葉輪轉速與極限真空度的關系，動葉輪轉速和電機的輸出功率、電機的轉矩以及最大鉆進速度之間的相互關系。最后擬合各參數(shù)之間的趨勢關系線，獲得如下結論：一定范圍內，電機的輸出功率越大，動葉輪轉速越大，其極限真空度也會變大，電機的轉矩增加，最大鉆進速度增加各參數(shù)之間呈線性遞增關系。通過對擬合線關系式的計算可知，所需的氣體流量不小于1.86m3/m